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1、目录摘要.1引言.11 空间数据.1 1.1 来源.1 1.2 分类.22 空间数据模型研究.2 2.1 空间数据模型概念 .2 2.2 GIS空间数据模型分类及其基本问题.3 2.2.1概念数据模型.3 2.2.2逻辑数据模型.7 2.2.2.1层次数据模型.7 2.2.2.2网络数据模型.9 2.2.2.3关系数据模型.10 2.2.2.4面向对象数据模型.12 2.3 GIS空间数据模型的学术前沿.14 2.3.1 时空数据模型.15 2.3.2 动态空间数据模型.15 2.3.3 三维空间数据模型.16 2.3.4 分布式空间数据模型.173 空间数据结构研究.18 3.1 空间数据结
2、构定义.18 3.2 空间数据结构的分类.18 3.3 矢量数据结构.20 3.3.1 定义.20 3.3.2 矢量数据的拓扑关系.20 3.3.3 无拓扑关系的矢量数据.22 3.3.4 矢量数据间的融合.23 3.4 栅格数据结构.24 3.4.1 压缩编码存储结构.24 3.4.2 栅格结构和矢量结构的相互关系.26 3.4.3 失栅一体化结构.27 3.4.4 发展趋势.28结语.29参考文献.30GIS空间数据模型与结构研究王乐乐，吴博，张莉，陈丽红【摘要】：空间数据模型和空间数据结构是地理信息系统（GIS）课题的中心内容。本文对空间数据模型和结构的定义、分类以及发展中的问题与解决方
3、法进行了一定的研究性的归纳与总结。【关键词】：GIS，空间数据模型，空间数据结构0 引言GIS是围绕空间数据的采集、加工、存储、分析和表现展开的计算机系统。空间数据的采集方法、生产工艺、数据的质量都直接影响到GIS应用的潜力、成本和效率。作为GIS的核心，空间数据的结构与模型直接影响着GIS的运用和发展。合理的空间数据结构和模型能使GIS达到最优化，使生产效益达到最大化。因此，如何完善和改进空间数据结构和模型一直是能否推动GIS不断发展和更新的核心任务。本文对GIS空间数据结构和模型的传统意义和现今发展做了一些初步研究，旨在为GIS空间数据的研究提供一定参考。1 空间数据1.1来源随着GIS系
4、统的广泛应用，地理空间数据的内容也在不断增加，由于应用目的不同，使用的数据在内容和结构上也有很大的区别。由于行业的需求不同，地理空间数据的侧重点和要求也有很大的区别， GIS的数据来源主要有如下几种1,18:1)航空航天遥感遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线结合目标进行探测和识别的技术。遥感数据是地理信息系统的重要数据来源。2)地图数字化地图数字化就是通过GIS工具，把纸质地图经过一系列处理转换成可以在屏幕上显示的电子化地图。地图数字化主要有数字化仪手持跟踪数字化和扫描矢量化两种方法。3)全野外数据采集全野外数据采集就是应用现代测量技术采集GIS数据，全野外数据采
5、集的GIS数据具有现势性好，精度高的特点。全野外数据采集的方法主要有GPS数据采集、全站仪数据采集、光电测距仪配合计算机进行数据采集及经纬仪配合其它设备进行数据采集等多种数据采集方法。4)合成孔径雷达合成孔径雷达就是利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。既可详细、较准确地观测地形、地貌等地球表面的信息又可收集地表下面的信息，它是空间对地观测的一种有效手段。5)近景摄影测量近景摄影测量和全野外数据采集一样是获取一定区域内地理信息的主要方法，它能解决遥感信息在局部区域
6、的精确表示，也能解决地图数字化的时效问题。6)其它数据这类数据有文本资料、多媒体数据、试验数据、理论推算与估算数据、历史数据、统计普查数据等。 1.2分类从概念上分，地理空间数据可分为两大类。一类是空间对象数据，它是指具有几何特征和离散特点的地理要素，如点对象、线对象、面对像、体对象等。另一类是场对象数据，它是指在一定空间范围内连续变化的地理对象，如覆盖某一地理空间的格网数字高程模型、不规则三角网、栅格影像数据等。每个离散的空间数据对象有一个唯一的对象标识或相应的属性扫描信息。一个场对象通常作为一个整体，场内的局部特征已经由构造该数据场的节点特征表达，如一个格网点的高程表现了该点的高度。由于离
7、散的空间对象与场对象的特征不同，所以需要采用不同的方法进行处理和管理。根据地理实体数字描述方式的不同，空间数据可分为矢量数据和栅格数据。矢量数据是在直角坐标系中，用X、Y坐标表示地图图形或地理实体的位置和形状的数据。矢量数据一般通过记录坐标的方式来尽可能将地理实体的空间位置表现的准确无误。栅格数据是按网格单元的行与列排列、具有不同灰度或颜色的阵列数据。2 空间数据模型研究2.1 空间数据模型概念空间数据模型是关于现实世界中空间实体及其相互联系的概念，它为描述空间数据的组织和设计空间数据库模式提供基本方法2。一个空间数据模型可以被定义为一组有关关系联系在一起的实体集。一个实体是存在的和可区别的，
8、即可以从众多实体中区别某一个。如，汽车、河流等都是实体。空间数据模型是在实体概念上发展起来的，它包含两个基本内容：专门的实体组和它们之间的相关关系，实体及相关关系可以通过属性和性质来说明，存储在实体的属性中3。2.2 GIS空间数据模型分类及其基本问题（评价）GIS空间数据模型由概念数据模型、逻辑数据模型和物理数据模型三个层次所组成，其中概念数据模型是关于实体及实体间联系的抽象概念集，逻辑数据模型表达概念数据模型中数据实体(或记录)及其间关系，而物理数据模型则是描述数据在计算机中的物理组织、存取路径和数据库结构。下面将重点介绍概念及逻辑层面上的GIS空间数据模型。2.2.1 概念数据模型GIS
9、空间数据模型的概念模型是考虑用户需求的共性，用统一的语言描述和综合、集成各用户视图。其基本任务是，确定所感兴趣的现象和基本特性，描述实体间的相互联系，从而确定空间数据库的信息内容。目前广为采用的是基于平面图的点、线、面数据模型和基于连续铺盖(Tessellation)的栅格数据模型4。基于平面图的点、线、面数据模型是一种面向空间实体的模型，其把现实世界的空间实体抽象地看作是由平面上的点、线、面空间目标(Spatial objects)组成的。这些点、线、面空间目标之间存在着一些空间关系，如点、线、面目标与其组成弧段、结点、坐标之间的相交(Junction)、连接(Connection)、连通(
10、Connectivity)和包容(Containment)等拓扑空间关系。基于平面图的点、线、面数据模型的一个核心问题是描述和表达点、线、面空间目标及其相互间的拓扑空间关系。基于连续铺盖的栅格数据模型是将连续空间离散化，即用二维铺盖或面片覆盖整个连续空间；铺盖可分为规则和不规则的，后者可当做拓扑多边形处理，如社会经济分区、城市街区；铺盖的特征参数有尺寸、形状、方位和间距。对同一现象，也可能有若干不同尺度、不同聚分性(Aggregation or subdivisions)的铺盖。实体-关系法是建立空间概念数据模型时采用的主要方法。其认为现实世界中具有相似性质的实体组成实体类(Entity ty
11、pe)，单个实体或实体类之间存在着多种关系，这种关系可以是一对一的，也可能是多对多的。如道路这一实体穿过城市，对同一城市而言一般有N条道路穿过，表现为ER模型中的1:N关系。此外，实体和关系都有属性。对于一个街区来说，其中一街道有若干路段，一个路段有若干边组成，而每一地块的边界可能有M个边组成。空间实体的点、线、面之间存在的一些关系也可以用ER方法表示。如果将某些实体进一步分类的话，则得到ECR模型(Entity-Category-Relationship Model)。前述的两种空间概念数据模型在描述、表达现实世界空间实体及其相互关系和进行动态模拟方面，均表现出一定的局限性，存在着一些有待解
12、决的问题：(l)面向实体法和铺盖法是表达连续空间的两种基本方法，各有其特点。如规则铺盖用于表征连续空间，而不是空间实体的特征或位置，且不直接考虑拓扑空间关系。出于精度的考虑，一般不用规则铺盖表达曲状要素和不规则多边形。而面向空间实体的点、线、面模型适于表达曲状要素和不规则多边形。在实际应用中，往往需要将两者结合起来。例如，在城乡规划管理的过程中，由于规划管理的对象、内容、阶段的不同，往往涉及到多种不同形式的数据资料。从数据处理和管理的角度来看，其不仅需要统一地存贮管理多种数据结构的空间数据，而且要求综合运用矢量、栅格等多种空间数据处理办法，因此单一数据结构的GIS工具往往难以满足城乡规划管理对
13、空间数据存贮管理、查询检索、分析评价、输出表达等方面的要求。为了解决这一问题，人们试图设计出能有效表达矢量和栅格两种数据的混合数据结构，曾提出了链编码(Chain Coding)、栅格、伪维矢量(pseudo-vector)等模型，它们在表示不同类型的空间数据(线、面和影像)时各有所长，但难以顾及各方面的要求。因此，人们一方面继续探索新的混合数据结构，另一方面采用集成方法，在同一空间数据库管理系统中支持或管理矢量和栅格两种数据结构，允许数据库的每一目标采用适宜的矢量或栅格数据结构，通过“目标”实现统一的数据管理。(2)主要适于描述和表达二维空间实体，难以有效地表达现实世界中的三维空间实体及其相
14、互关系。一般说来，利用这两种概念数据模型描述和表达三维空间实体(如城市建筑物)时，是将其投影到二维平面上去，将其第三维的信息作为属性处理，这在许多场合下导致空间目标划分与表达的困难。(3)这两种概念数据模型侧重于空间点、线、面目标自身的描述，没有顾及到空间点、线、面目标之间的一些重要空间关系(如相交、穿越等)和空间实体之间从属、组合关系的描述与表达，因而在一定程度上不能有效地表达现实世界中的空间现象和支持空间分析。(4)点、线、面数据模型和栅格数据模型最早是针对宏观(或小比例尺)应用发展起来的，因而在将其用于表达城市空间实体时，出现了一些新的问题。例如，城市主要道路要用双线表示，因此原有线状目
15、标的定义必须予以修正或扩充；再如，城市主要道路在小比例尺数据库中为单线目标，在大比例尺数据库中为双线目标，如何实现两者之间的有机联系，对于进行宏观与微观相结合的城市空间分析十分重要。(5)从本质上说，前述的空间数据模型主要是表达某一时刻的空间实体及其相互之间的联系，没有考虑表示空间实体的时空变化，本质是上非时态的。这种非时态GIS没有记录其历史状态和变化过程，因而难以回答诸如何时何地发生了什么变化、变化的类型和速率、变化的周期等问题。实际上，人们要求GIS能够方便地提供空间实体分布和状态的最新信息，能够重构空间变化(或演进)的过程，预测和模拟未来的空间分布和状态。(6)在点、线、面数据模型中，
16、点、线、面空间目标之间的相邻关系是隐含的，在寻找某一空间目标周围的其它一些空间目标时往往要花费较长的检索与处理时间，这在一定程度上影响了其在空间现象动态分析和空间过程动态模拟中的应用。(7)前面关于空间数据模型的讨论仅限于对集中式空间数据组织与管理的考虑。如果一些相关联的空间数据库分布在不同地域上，或用户分散在一定的地域范围内，往往需要给用户一个总的、聚合的、唯一的空间数据集合及其统一管理办法，实现分布式空间数据管理。在一些情况下，这些相关联的空间数据库可能是非均质的，如是基于不同的数据模型或设计方法，这就要求将诸多数据库模式集成起来。针对这些问题，提出了一种空间数据模型：时空数据模型。Is_
17、located_atEntity setSPACEGEOMETRYPOINTLINEREGIONIS AIS AIS A1MM1Belongs_to侧重时空对象描述及其时空关系的时空数据模型以时空对象描述为主体，以面向对象技术为基础，模拟和描述现实世界地理空间的复杂对象，克服了传统地理数据模型的局限性，改进和提高了系统的性能。虽然面向对象技术在建模概念、理论基础和实现技术上还没有达成共识，不够成熟，但它以更自然的方式对复杂的时空实体和现象模型化，是支持时空复杂对象建模的最有效手段。该类模型的核心思想，以描述时空对象为主体和时空关系为目的，是以面向对象的基本思想来描述和组织地理时空现象，将时间、
18、空间及属性在每个时空对象中置于同等重要的地位；其中对象是独立封装的具有惟一标识的概念实体；每个地理时空对象中封装了对象的时态性、空间特性、属性特性和相关的行为操作及与其他对象的关系。(a) 时空ER概念模型(Source: Nectarica T 和 Christian)Worboys较早总结和提出一个实用的面向对象时空数据模型(ST-objects)，他认为世界是由众多的分离的单体构成，这些单体可以是整合了时间及二维空间的个体。随后，由于面向对象的构模，能表达丰富的语义、能描述复杂对象的功能以及有很强的数据抽象能力等优点，吸引了大量的研究人员和学者，将研究的兴趣放在利用面向对象技术进行时空数
19、据模型的建立上。 （b）宗地与Risk区之间关系MADS模型表达(Source: Parent)时空地理对象类时空对象类时态属性对象类控件对象类时间对象类属性对象类聚集注：（Nectarica和Christian提出一种时空ER概念模型，如图（a）所示，它能很好描述复杂时空对象的空间和时间语义及其关系。MADS模型Parent.Et al 2006是一种面向对象关系的概念模型，整合了时间和空间概念，但它没有涉及变化过程的描述，如图（b）所示。国内研究人员或学者，更多的是从面向对象的时空逻辑模型作了一定的扩展和实践工作：如张山山提出了时空对象扩展模型，为时空应用概念设计提供了有力的。）（c）时空
20、对象扩展模型(Source:张山山)侧重时空对象及其关系描述的时空数据模型采用面向对象的思想，语义表达和建模能力都得到了很大的加强。面向对象的时空数据模型利用OOP技术，将目标抽象为对象（空间对象和地理对象）的同时，将时间维引入到对象，连同对象的属性和操作进行封装，这样有利于打破传统关系模型范式的限制，直接支持对象的嵌套和变长记录。2.2.2 逻辑数据模型2.2.2.1 层次数据模型一、层次模型的定义层次模型是数据处理中发展较早，技术上也比较成熟的一种数据模型5。它的特点是将数据组织成有向有序的树结构。层次模型由处于不同层次的各个结点组成。除根结点外，其余各结点有且仅有一个上层结点作为其“双亲
21、”，而位于其下的较低一层的若干各结点作为其“子女”。结构中结点代表数据记录，连线描述位于不同结点数据间的从属关系(限定为一对多的关系)。对于图1所示的地图用层次模型表示为图2所示的层次结构。III2b3e5f6g4d1ac 图1 原始地图MIIIabdccegf1223344134355664 图2 层次数据模型层次模型反映了现实世界中实体间的层次关系，层次结构是众多空间对象的自然表达形式，并在一定程度上支持数据的重构。但其应用时存在以下问题:(1)由于层次结构的严格限制，对任何对象的查询必须始于其所在层次结构的根，使得层次对象的处理效率较低，并难以进行反向查询。数据的更新涉及许多指针，插入和
22、删除操作也比较复杂。母结点的删除意味着其下属所有子结点均被删除，必须慎用删除操作。(2)层次命令具有过程式性质，它要求用户了解数据的物理结构，并在数据操纵命令中显式地给出存取途径。(3)模拟多对多联系时导致物理存储上的冗余。(4)数据独立性较差。 二、层次模型的编码设计代码是一个或一组有序的易于计算机或人识别与处理的符号，用来为数据分类提供一种缩写的结构，作为数据的唯一标识6。对于层次数据编码可采用层次码，即按分类对象的从属、层次关系为排列顺序的一种代码。把代码分成若干组，码中的值和位都代表一定意义，即将代码分成一定若干属级，并与分类对象的分类层次相对应，代码左端为高位层级代码，右端为低位层级
23、代码，每个层级代码可采用顺序码。对层次码的具体组织方式可划分为两种:集中组织方式和分层组织方式，不同的组织方式对应不同的关系数据库。（1）集中组织方式以数据在每一层中的编码拼接作为关键字组织关系数据库。其关键字的长度是各个层次上编码的长度之和，各个记录的关键字长度相等，上层关键字长度不足部分补“0”。在图1中，假设第一层编码长度为3位且用数字编码，第二层和第三层的编码长度为1位且用字母编码，第四层编码长度为2位且用数字编码，则根结点的编码为XYZ0000(其中X、Y、Z各表示一位数字，这里假设分别为0、2、l)，第二层结点的编码分别为02lA0O0、021B000、，第三层结点的编码分别为02
24、1从00、OZIABoo、，第四层结点的代码分别为021AA01、021从02、，相应的关系数据库模式为:模式名(编码，名称，)。这种组织方法可通过编码的前缀看出其层次关系，其代码结构相对比较简单，适于机器的统计汇总。但由于不同层次的数据没有明显的区别，对有些操作的使用带来不便。例如，在显示操作中，仅能显示出当前结点的名称(存储的科目名称)，无法说明其所在的单位等信息，若在科目名称中增加单位名称，又会增加数据冗余。另外，对于一个实际的企事业单位而言，库中的记录往往成千上万之多，占用存储空间较大，这不便于访问该数据库中的记录，因此为提高访问(查询)速度，必须建立索引或设置过滤器。(2)分层组织方
25、式按照分层组织方法设计的各个关系数据库，其候选关键字是唯一的，均符合3NLF范式，因此在访问中间结点时，与下级结点无关，可以直接在上层数据库中进行操作，在访问明细科目时，与中间结点不发生关系，可直接对下层数据库操作，这样可加快访问(查询)速度，对数据库之间的操作可以通过关系运算实现。例如，要详细显示与当前结点有关的各种数据信息，可通过数据库的关联操作在各个数据库之间建立关联，这样可方便地显示与当前结点相关联的上层或卜层数据库中的科目名称。2.2.2.2 网络数据模型网络数据模型是数据模型的另一种重要结构，它反映着现实世界中实体间更为复杂的联系，其基本特征是，结点数据间没有明确的从属关系，一个结
26、点可与其他多个结点建立联系。如图5所示的四个城市的交通联系，不仅是双向的而且是多对多的。如图6所示，学生甲、乙、丙、丁选修课程，其中的联系也属于网络模型7。杭州北京上海武汉图5 城市交通关系图学生甲学生乙学生丙学生丁课程甲课程乙课程丙课程丁图6 学生选课关系图 网络模型用连接指令或指针来确定数据阿的显式连接关系，是具有多对多类型的数据组织方式。网络模型将数据组织成有向结构，结构中结点代表数据记录，连线描述不同结点数据间的关系。网络模型的优点是可以描述现实生活中极为常见的多对多的关系，其数据存储效率高于层次模型，但其结构的复杂性限制了它再空间数据库中的应用。网络模型在一定程度上支持数据的重构，具
27、有一定的数据独立性和共享特性，并且运行效率较高。但它应用时存在以下问题:(1)网状结构的复杂，增加了用户查询和定位的困难。它要求用户熟悉数据的逻辑结构，知道自身所处的位置。(2)网状数据操作命令具有过程式性质。(3)不直接支持对于层次结构的表达。2.2.2.3 关系数据模型一、关系模型的定义在层次与网络模型中，实体间的联系主要是通过指针来实现的，即把有联系的实体用指针连接起来，而关系模型则采用完全不同的方法。关系模型5是根据数学概念建立的，它把数据的逻辑结构归结为满足一定条件的二维表形式。此外，实体本身的信息以及实体之间的联系均表现为二维表，这种表就称为关系。一个实体由若干个关系组成，而关系表
28、的集合就构成关系模型。关系模型不是人为地设置指针，而是由数据本身自然地建立它们之间地联系，并且用关系代数和关系运算来操纵数据，这就是关系模型的本质。MIIIIabcdIIcefgIa12Ib23Ic34Id41IIe35IIf56IIg64地图：多边形：线：关系数据模型是应用最广泛的一种数据模型，它具有以下优点:(1)能够以简单、灵活的方式表达现实世界中各种实体及其相互间关系，使用与维护也很方便。关系模型通过规范化的关系为用户提供一种简单的用户逻辑结构。所谓规范化，实质上就是使概念单一化，一个关系只描述一个概念，如果多于一个概念，就要将其分开来。(2)关系模型具有严密的数学基础和操作代数基础如
29、关系代数、关系演算等，可将关系分开，或将两个关系合并，使数据的操纵具有高度的灵活性。(3)在关系数据模型中，数据间的关系具有对称性，因此，关系之间的寻找在正反两个方向上难度程度是一样的，而在其他模型如层次模型中从根结点出发寻找叶子的过程容易解决，相反的过程则很困难。二、关系数据模型的发展（1）传统的地理关系模型传统的空间数据模型，采用Georelational（地理关系）模式，将空间数据和属性数据分开来管理。一般采用混合式数据库管理系统，将空间数据和属性数据用两个子系统分别存储起来，其中空间数据存储在线状或面状实体的弧段文件中，属性数据存储在关系数据库管理系统中，两个子系统之间通过标识符（ID
30、）进行连接，从而进行图形属性的双向查询、分析等。这时矢量数据模型的特点是：结构紧凑，冗余度低，而且还存储了空间对象之间的拓扑关系，容易定义和操作单个空间实体。但操作复杂，使用不方便，主要是面对专业人员9。（2）空间实体空间索引模型这种数据模型的基础是“空间实体”。空间实体是对地理实体的抽象，主要包括点、线、面三种基本类型。一个点的位置可由一对X、Y坐标表示；一条线通常由一串有序的X、Y坐标对表示；而面是由一串或几串有序的且首尾坐标相同的X、Y坐标以及面标识表示。空间实体模型中，复杂空间对象的结点是存储在实体对象内部的。因此，会造成公共结点的重复存储，产生冗余。但是这种数据模型无须维护每个实体内
31、部的拓扑关系，数据编辑修改后，不需任何其他处理，就可立即用于空间分析。基于这种模型的软件简单实用，容易掌握，不需具有专业知识就能实现常用的GIS空间分析。（3）空间数据与关系数据库管理系统(RDBMS)的集成这种模型采用扩展式数据库管理系统对空间数据进行管理，也就是将空间数据存储到关系数据库，如果客户端用户发出的请求是对空间数据的，SQL分析器就提取空间数据，完成相应的处理后发送到客户端，如果请求是对非空间数据的，则由关系数据库进行处理。RDBMS采用关系数据模型，关系模型表示地理实体用二维表。RDBMS目前现状是理论和技术都非常完善和成熟，但仍需进一步发展。主要发展方向为：在模型中增加非结构
32、化大型对象，用于存储大量变长字符串和二进制数据；采用分布式数据库；融入面向对象特性。目前一些商品化的产品正在研制或已推出。（4）空间数据与面向对象数据模型的集成GIS一般采用图形和属性分开管理的数据模型管理数据，但这种数据模型具有以下弱点：1不利于空间数据的整体管理，以保证数据的统一性2GIS的开放性和互操作性受限制3数据共享和并行处理无保证。因此，人们开始寻求一种能统一管理图形数据和属性数据的数据模型。面向对象技术8将现实世界的实体都抽象为对象，利用四种数据抽象技术（分类、概括、联合、聚集）可构建复杂的地理实体，利用继承和传播这两种数据抽象工具将所有实体对象构建成一个分层结构，通过面向对象的
33、数据库系统进行数据管理。Small world GIS是目前面向对象GIS中最为典型的代表。a II V4 dIIeV1V3 V2bcI图7 实体E及其空间要素2.2.2.4面向对象数据模型一、概述面向对象空间数据模型的集合对象模型、地理要素对象模型、图形表示对象模型、地理要素分层对象模型、地理要素区域对象模型和空间数据多尺度表示对象模型综合描述了现实世界复杂的地理实体、现象及相互关系。由于地理对象繁多、关系复杂，不利于建立清晰的用户视图，也不容易系统实现，因此，需要对模型进行一定的完整性约束。可以利用空间数据库、工作区、地理要素层的概念对地理要素对象进行分尺度、分块、分层管理，既符合地理空间
34、自然的层次结构划分，又进行了适当的范围限制。空间数据库是空间数据库系统总体视图，是用户看到一定的地理空间内不同详细程度地对分布在二维空间中地理要素对象集、地理要素之间存在空间关系描述。工作区又分为若干个数据块，以数据块作为基本单位，分别进行数据录入和存储管理，有效地解决了地球空间信息与有限的计算机资源之间的矛盾。通过数据块之间相同物体连接关系类保证了一个物体在不同的数据块中连续性、完整性和一致性。每个数据块包含若干要素层。每个要素层之间在数据组织和结构上相对独立，数据更新、查询、分析和显示等操作以要素层为基本单位。工作区种的地理要素按照一定的分类原则组织在一起，形成不同的地理要素层。通常情况下
35、，一个地理要素层定义一组地理意义相通或相关的地理要素。同类型的地理要素具有相通的一组属性来定性或定量地描述它们的特征，如河流类可能具有长度、流量、等级、平均流速等属性。在要素层种的建立地理要素之间的拓扑关系。通过相关地理要素连接关系类建立物体在一要素层或不同要素层之间的空间关系。要素层包括若干地理要素，地理要素又可分为基本要素和复合要素。地理要素是地理实体和现象的基本表示，在数据世界种地理要素包括空间特征（几何元素）和属性特征。几何元素和拓扑关系表示几何意义上的结点、弧段和多边形以及他们的拓扑关系，结点、弧段、多边形、点、线、面和表面是地理数据库中不可分割的最小存储和管理单元，描述了地理实体的
36、空间定位，空间分布和空间关系。在几何类中没有考虑地理要素内在的地理意义，主要目的是保持几何对象在操作和查询中的独立性。在空间数据库种望望一个地理要素实体由一个几何元素和描述几何元素的属性或语义两部分构成。基本要素表示点状要素、线性要素、面状要素、结点要素、弧段要素、多边形要素和表面要素，描述了几何元素的地理意义。基本要素和几何元素不是一对一的关系，在几何元素的基础上增加属性信息。复合要素表示相同性质和属性的基本要素或复合要素的集合。现实世界地理空间、工作区、数据块、要素层和地理要素构成一个层次地理数据模型框架。这种模型主要存在以下不足：需要进行图幅的拼接，效率较低；一个控件对象存储在多个图层上
37、，造成数据的冗余和难于维护数据的一致性。当前一些GIS系统中已经开始使用地理要素类来实现对空间对象的组织，如ArcGIS的GeoDatabase等，这种方式按照实体类来组织控件对象，在数据库中直接存储整个地图，能方便地实现空间对象的查询和抽取，复合空间对象管理的本质，一个空间对象可以被多个图层或视图引用，机制较为灵活，解决了控件对象的一致性问题。二、面向对象数据库系统的实现方式采用面向对象数据模型，建立面向对象数据库系统，主要有三种实现方式：1）扩充面向对象程序设计语言（OOPL），在OOPL种增加DBMS的特性面向对象数据库系统的一种开发途径便是扩充OOPL，使其处理永久性数据。典型的OOP
38、L有Smalltalk和C+。在OODBMS种增加处理和管理地理信息数据的功能，则可形成地理信息数据库系统。在这种系统中，对象标识符为指向各种对象的指针；地理信息对象的查询通过指针依次进行（巡航查询）；这类系统具有计算完整性。这种实现途径的优点是：（1） 能充分利用OOPL强大的功能，相对地减少开发工作量。（2） 容易结合现有的C+（或C）语言应用软件，使系统的应用范围更广。这种途径的缺点是没有充分利用现有的DBMS所具有的功能。2）扩充RDBMS，在RDBMS种增加面向对象的特性RDBMS是目前应用最广泛的数据库管理系统。既可用常规程序设计语言（如CFORTRAN等）扩充RDBMS，也可用O
39、OPL（如C+）扩充RDBMS。IRIS就是用C语言和LISP语言扩展RDBMS所形成的一种OODBMS。这种实现途径的优点是：（1）能充分利用RDBMS的功能，可使用或扩展SQ1查询语言。（2）采用OOPL扩展RDBMS时，能结合二者的特性，大大减少开发的工作量。这种途径的缺点是数据库I/O检查比较费时，需要完成一些附加操作，所以查询效率比纯OODBMS低。3）建立全新的支持面向对象数据模型的OODBMS这种实现途径从重视计算完整性的立场出发，以记述消息的语言作为基础，备有全新的数据库程序设计语言（DBPL）或永久性程序设计语言（PPL）。此外，它还提供非过程型的查询语言。它并不以OOPL作
40、为基础，而是创建独自的面向对象DBPL。这种实现途径的优点是：（1）用常规语言开发的纯OODBMS全面支持面向对象数据模型，可扩充性较强，操作效率较高。（2）重视计算完成整性和非过程查询。这种途径的缺点是数据库结构复杂，并且开发工作量很大。上述三种开发途径各有利弊，侧重面也各有不同。第一种途径强调OOPL种的数据永久化；第二种途径强调RDBMS的扩展；第三种途径强调计算完整性和纯面向对象数据模型的实现。这三种途径也可以结合起来，充分利用各自的特点，既重视OOPL和RDBMS的扩展，也强调计算完整性。2.3 GIS空间数据模型的学术前沿为了调节和控制空间系统的物质流、能量流、人口流等，使之转移到
41、期望的状态和方式、实现动态平衡和持续协调发展，人们开始考虑对其中诸多组成要素的空间性状、相互依存关系、变化过程、相互作用规律、反馈原理、调控机理等进行数字模拟和动态分析，这既在客观上为GIS创造了良好的应用环境，也不断地向GIS空间数据模型提出新的更高的要求。从而促进和推动了国际上对时空数据模型、三维数据模型、动态空间数据结构、分布式空间数据管理、空间存取方法、GIS设计的CASE工具等问题的研究与发展。现将其中的几个国际学术前沿分述如下。2.3.1时空数据模型(spatio-temporal data modeling)现实世界空间实体及其相互间关系的时空变化表现为三种可能的形式，一是属性变
42、化，空间坐标或位置不变；二是空间坐标或位置变化，属性不变，这里空间坐标或位置的变化既可能是单一实体的位置、方向、尺寸、形状等发生变化，也可能是两个或两个以上的空间实体之间的关系也发生变化；三是空间实体或现象的坐标和属性同时发生变化。如何有效地记录和管理这种时空变化是近几年来国内外地理信息系统学术界和应用部门面临的一大难题。目前国内外广为采用的各类GIS在本质上均属于非时态GIS，主要适于记录和表达某一时刻空间实体性状及相互间关系的静态分布，难以有效地描述和表达空间实体及其相互间关系的时空变化。为了解决这一难题，近三、四年来国际学术界开始研究和发展能够用于描述和表达时空变化的时态GIS(Temporal GIS)，在国际GIS、计算机数据库的主要学术会议和刊物上常可以看到有关的研究进展报告或成果。当前国际上时态
